全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统及探测方法技术方案

本发明专利技术提供一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统及探测方法，该系统包括：激光发射模块，用于发出三种波长的激光；信号接收模块，用于接收水汽通道、氮气通道、532nm以及1064nm四个通道的回波信号；光电探测及数据采集模块，用于分别探测并记录水汽拉曼回波信号、氮气拉曼回波信号、532nm回波信号和1064nm回波信号；反演模块，用于对回波信号进行反演。本发明专利技术采用全固态激光器实现了野外全天时的水汽Raman信号的测量，在缩小了系统体积的同时，优化了收发系统结构，有效的抑制了背景噪声，提高了性噪比，弥补了全固态激光器能量低回波信号弱的缺点，最终实现了户外可以移动的全天候测量水汽激光雷达系统。

All-solid All-day Water Vapor Scanning Detection Lidar System and Detection Method

The invention provides an all-solid-state all-day water vapor scanning detection lidar system and detection method. The system includes: a laser transmitting module for sending out three kinds of wavelength lasers; a signal receiving module for receiving echo signals of four channels: water vapor channel, nitrogen channel, 532 nm and 1064 nm; and a photoelectric detection and data acquisition module for detecting and recording water vapor separately. Raman echo signal, nitrogen Raman echo signal, 532 nm echo signal and 1064 nm echo signal; inversion module for the inversion of echo signal. The invention realizes the measurement of water vapor Raman signal in the field all-day by using all-solid-state laser, reduces the volume of the system, optimizes the structure of the transceiver system, effectively suppresses background noise, improves the performance-to-noise ratio, makes up for the weakness of low energy echo signal of all-solid-state laser, and finally realizes the outdoor mobile all-weather measurement of water vapor lidar system.

【技术实现步骤摘要】
全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统及探测方法
本专利技术涉及水汽测量领域，尤其是涉及一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统及探测方法。
技术介绍
水汽与人类生活乃至整个生物界活动关系密切，是大气中举足轻重的气象要素。并且水汽来源丰富但分布并不均匀，时空变化迅速，是自然条件下大气中唯一可以相变的气体。大气中水汽并不多，最多时也只占大气的百分之四，水汽仅占全球总水量的0.001％，水汽是大气中浓度变化最大的一种气体。水汽在环境、气象、气候和军事领域扮演了一个十分重要的角色。水汽绝大部分集中在低层，有一半的水汽集中在2公里以下，四分之三的水汽集中在4公里以下，在天气预报和气候研究中都有重要价值，水汽含量也是人工影响天气的研究的重要参数。水汽在辐射传输中是一个非常重要的参量，从近红外到远红外区域存在多个较强的吸收带，但水汽随着时间和空间变化很大，往往与标准大气模式存在很大的差异，从而带来计算误差，精确测量水汽的浓度可以获得高精度的大气辐射传输计算参数，在提高光电探测仪器的测量精度以及确认武器装备有效作用距离等方面有着重要意义。大气中水汽对太阳辐射的吸收直接影响到卫星观测到的信号，在航天、航空遥感器辐射定标和大气校正时就需要大气中精确的水汽量。水汽Raman激光雷达是利用激光雷达技术测量水汽廓线的传统方法，水汽Raman信号要比米散射信号弱3个数量级，因此在白天水汽Raman激光雷达一般很难正常工作。为了使水汽Raman激光雷达在白天进行水汽测量，对激光雷达探测能量和望远镜的探测口径都有一定要求，所以一般采用高功率激光器，而高功率激光器需要采用水冷技术，不仅体积庞大，而且不便于户外使用，环境适应性差，维护成本高，而采用固态激光器，虽然体积小，但是能量弱，受背景噪声影响，性噪比低，尤其是白天背景光强的情况下不能满足测量水汽的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统及探测方法，解决了固态激光器能力弱回波信号弱的问题。本专利技术的专利技术目的通过以下技术方案来实现：一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，该系统包括：激光发射模块，用于发出三种波长的激光；信号接收模块，用于接收水汽通道、氮气通道、532nm以及1064nm四个通道的回波信号；光电探测及数据采集模块，用于分别探测并记录水汽拉曼回波信号、氮气拉曼回波信号、532nm回波信号和1064nm回波信号；反演模块，用于对回波信号进行反演。作为进一步的技术方案，所述激光发射模块包括固态激光器和全反镜，激光发射模块把1064nm的YAG激光器的出射光通过倍频晶体二倍频为532nm、三倍频为355nm，并通过全反镜向大气中同时输出355nm、532nm、1064nm波长的激光。作为进一步的技术方案，所述激光发射模块包括电动调节反射镜，通过全反镜的激光经过所述电动调节反射镜进行自动对光。作为进一步的技术方案，所述信号接收模块包括卡塞格林望远镜和四个分束镜，通过卡塞格林望远镜的回波信号依次通过四个分束镜后被分束为不同波段的回波信号。作为进一步的技术方案，所述信号接收模块还包括四个窄带滤波片，四个分束镜分束出的回波信号各自被一个窄带滤波片滤波。作为进一步的技术方案，所述光电探测及数据采集模块包括三个PMT探测和一个APD探测，三个PMT探测分别用于探测407nm水汽拉曼回波信号、386nm氮气拉曼回波信号、532nm回波信号，APD探测用于探测1064nm回波信号。作为进一步的技术方案，该系统还包括温度控制模块，该温度控制模块包括温湿度传感器、双向温控器、导热硅胶、散热铝片和风扇，所述温湿度传感器探测系统内部的温湿度，双向温控器通过导热硅胶与散射铝片相连，散热铝片外通过风扇扇风。一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统的探测方法，该方法包括：从全固态激光器同时发射出355nm、532nm、1064nm的激光，经过反射镜通过发射镜窗口发射到大气中，激光与大气发生反应，水汽和氮气的拉曼回波信号、532nm和1064nm的回波信号通过卡塞格林望远镜进入到接收光路中，然后依次通过分束镜，把不同波段的回波信号分束，然后不同频率的回波信号依次通过各自的窄带滤波片后，通过PMT或APD探测器中，然后通过数据采集卡把信号存储到计算机中，再通过反演算法对回波信号进行反演。作为进一步的技术方案，反演算法为：其中，w(z)表示水汽混合比，Cw为水汽Raman激光雷达的系统标定常数：Δq(zo,z)为大气透过率修正函数：表示水汽Raman后向散射回波信号，表示氮气Raman后向散射回波信号，kx表示x通道的系统常数，σx为x分子Raman后向散射截面，nx(z)为高度Z处x分子数密度，和Mair为水汽和干洁空气的分子量，z0为激光雷达出射位置的高度，q(λx,z0,z)分别为z0和z直接发射激光波长和x分子的Raman散射光的大气透光率。与现有技术相比，本专利技术采用以固态激光器为基础，通过优化发射光路、接受光路，并采用自动对光系统、自主设计温控系统等，优化整体结构设计，有效的抑制了背景噪声，提高信噪比，弥补固态激光器能力弱回波信号弱的缺点，满足全天时(昼夜)连续测量水汽的激光雷达系统，并且稳定性好，维护成本低，保证探测性能的同时，缩小了激光雷达系统的体积；并利用同一位置同一时间的探空气球的湿度数据对与反演结果标定，实现对大气水汽浓度全天候连续测量反演。附图说明图1为全固态水汽激光雷达结构示意图；图2为发射光路示意图；图3为温控模块示意图；图4为本专利技术正体框架示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例术语解释：拉曼效应：光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射，弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分，非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分，统称为拉曼效应。相变：物质从一种相转变为另一种相的过程。本专利技术开创性的实现了全天时全固态水汽探测激光雷达系统。本专利技术通过从全固态激光器同时发射出355nm、532nm、1064nm的激光，经过反射镜通过发射镜窗口(石英玻璃)发射到大气中，激光与大气发生反应，水汽和氮气的拉曼回波信号、532nm和1064nm的回波信号通过卡塞格林望远镜进入到接收光路中，然后依次通过分束镜，把不同波段的回波信号分束，然后不同频率的回波信号依次通过各自的窄带滤波片后，通过PMT或APD探测器中，然后通过数据采集卡把信号存储到计算机中，再通过反演算法对回波信号进行反演。本专利技术采用以固态激光器为基础，通过优化发射光路、接收光路，并采用自动对光系统、自主设计温控系统等，优化整体结构设计优化整体结构设计，有效的抑制了背景噪声，提高信噪比，弥补固态激光器能力弱回波信号弱的缺点，满足全天时(昼夜)连续测量水汽的激光雷达系统，并且稳定性好，维护成本低。本专利技术的具体结构图1～图4所示，全固态水汽激光雷达整体为一矩形微型房舱，其内部集合了激光雷达的主要功能模块，其具体结构分为如下：激光发射模块、信号接收模块、光电探测及数据采集模块、温度控制模块和反演模块。1、激光发射模块：采用固态激光器，把1064nm的YAG激光器的出射光，通过倍频晶体二倍频为532nm，三倍频为355nm，并通过全反镜向大气中同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，其特征在于，该系统包括：激光发射模块，用于发出三种波长的激光；信号接收模块，用于接收水汽通道、氮气通道、532nm以及1064nm四个通道的回波信号；光电探测及数据采集模块，用于分别探测并记录水汽拉曼回波信号、氮气拉曼回波信号、532nm回波信号和1064nm回波信号；反演模块，用于对回波信号进行反演。

【技术特征摘要】
1.一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，其特征在于，该系统包括：激光发射模块，用于发出三种波长的激光；信号接收模块，用于接收水汽通道、氮气通道、532nm以及1064nm四个通道的回波信号；光电探测及数据采集模块，用于分别探测并记录水汽拉曼回波信号、氮气拉曼回波信号、532nm回波信号和1064nm回波信号；反演模块，用于对回波信号进行反演。2.根据权利要求1所述的一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射模块包括固态激光器和全反镜，激光发射模块把1064nm的YAG激光器的出射光通过倍频晶体二倍频为532nm、三倍频为355nm，并通过全反镜向大气中同时输出355nm、532nm、1064nm波长的激光。3.根据权利要求2所述的一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射模块包括电动调节反射镜，通过全反镜的激光经过所述电动调节反射镜进行自动对光。4.根据权利要求1所述的一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，其特征在于，所述信号接收模块包括卡塞格林望远镜和四个分束镜，通过卡塞格林望远镜的回波信号依次通过四个分束镜后被分束为不同波段的回波信号。5.根据权利要求4所述的一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，其特征在于，所述信号接收模块还包括四个窄带滤波片，四个分束镜分束出的回波信号各自被一个窄带滤波片滤波。6.根据权利要求1所述的一种全固态全天时水汽扫描探测激光雷达系统，其特征在于，所述光电探测及数据采集模块包括三个PMT探测和一个APD探测，三个PMT探测分别用于探测407nm水汽拉曼回波信号、386nm氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴德成，王邦新，罗晓乐，邓迁，储玉飞，侯再红，王珍珠，谢晨波，刘东，朱文越，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34